for Telecom Optical Networks - ist-brighter.eu · Raman Amplification for Telecom Optical Networks...

27
Raman Amplification for Telecom Optical Networks Dominique Bayart AlcatelLucent Bell Labs France, Research Center of Villarceaux Training day www.Brighter.eu project Cork, June 20th 2008

Transcript of for Telecom Optical Networks - ist-brighter.eu · Raman Amplification for Telecom Optical Networks...

Raman Amplification 

for Telecom Optical Networks 

Dominique Bayart Alcatel­Lucent Bell Labs France, Research Center of Villarceaux 

Training day www.Brighter.eu project Cork, June 20th 2008

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Raman Amplification for Telecom Optical Networks 

Outline of the talk 

­ Raman interaction of Light with the glass ­ Spectral and power characteristics ­ Noise performance and limitations (Rayleigh, noise transfer) ­ System implementation ­ Lumped Raman amplifiers

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Effect happens for any pump frequency, polarization dependent Instantaneous effect (not the travel time of the pump along the fiber !) Peak Raman shift =  ­ 13 THz (glass phonon energy) Top width = 2.5 THz, can be broadened with multi­λ pumping 

Raman amplification : Principle 

Long interaction fibers Confinement Attenuation at the pump wavelength is paramount 

Si Pump 

Signal 

( = f pump ­ 13 THz ) 

Vibrational excitation 

Signal 

Measured  ga in­ curve  :    1 pump @ 1487 nm 

10 

15 

20 

1500  1530  1560  1590  1620  nm 

On/o

ff G

ain (dB) 

DSF fiber 

p p 

eff 

r dB OFF ON  P e 

A g G 

p

⋅ −

⋅ ⋅ = ⋅ −

α

α 1 10 ln 10 

/

ρ α 1

= eff L A eff  is the Raman effective area of the fiber L eff  : Effective length of the fiber expressed as :

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Distributed Raman Preamplification 

Preamplification (backward pumping : weak gain saturation) 

Increase of the signal powers at the EDFA input 

(improved signal to noise ratio) 

­ 25 

­ 20 

­ 15 

­ 10 

­ 5 

0  25  50  75  100 Distance (km) 

Sign

al (dB

On/off gain 

with Raman 

without Raman 

Pump 

WDM Line fiber

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Ca lculated  ga in curve  :  20  pumps 

11,85 

11,90 

11,95 

12,00 

12,05 

1538  1558  1578  1598 nm 

On /off Gain (dB

) ü 2 or 3 wavelengths enough for a 1­dB equalization over the C­band 

3 to 4  over the C+L band 

Ø Semiconductor pumps need polarization multiplexing or depolarization using PANDA fiber at 45 deg. 

10 

15 

20 

25 

1500  1550  1600  nm 

On /off G

ain (dB) 

Equalization over 60 nm 

Pump wavelength combination

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Fiber efficiency per unit length and per W of pump 

0,2 

0,4 

0,6 

0,8 

0  3  6  9  12  15  18 

Ram

an efficiency C  R (W

 ­1  .km

 ­1  ) 

Frequency Shift (THz) 

NZDSF­ NZDSF+ 

SMF 

TeraLight 

PSCF 

0.68 0.75 

0.40 0.51 

0.38 13.3­THz peak (W ­1 .km ­1 ) 

1486­nm pumping 

C R = 0.23 G on/off  / (P p .L eff_p ) C R Max 

PSCF : Pure Silica Core Fiber

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Normalized Gain Spectra 

12  15  18  21  24  27  30 Frequency Sh i ft (THz) 

0,2 

0,4 

0,6 

0,8 

0,2 

0,4 

0,6 

0,8 

0  3  6  9  12  15  18 Frequency Sh i ft (THz) 

1486­nm pump  1400­nm pump 

PSCF 

PSCF 

PSCF 

Boson­peak relative­intensity higher with SiO 2  than with GeO 2 13.3­THz peak : Ge­dependent, extends up to > 20 THz Sharp 14.5­THz and 18­THz peaks specific to SiO 2 

CURVES NORMALISED RELATIVE TO 13.3­THz PEAK

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Fiber efficiency is pump wavelength dependent 

0 ,2 

0 ,4 

0 ,6 

0 ,8 

12  15  1 8  21  24  2 7  3 0 0 

0 ,2 

0 ,4 

0 ,6 

0 ,8 

0  3  6  9  12  1 5  1 8 Ram

an efficiency C  R (W

 ­1  .km

 ­1  ) 

Frequency Shift (THz) 

1486­nm PUMP  1400­nm PUMP NZDSF­ NZDSF+ 

SMF 

TeraLight PSCF 

+ 37 % + 21 % 

+ 20 % 

+ 46 % + 26 % 

F  Pump/signal/core overlap

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Effect of interchannel Raman depletion 

Input fiber  ­10 dBm /channel (linear regime) 

5.6 dBm /ch. 

100 km #1 

#32 

Tx  Rx 

0.7 dB 

2.3 dB

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Small­frequency­shift energy transfers 

1529  1561  1602 

Frequency shift (THz) 

Wavelength (nm) 

­27 

­22 

­17  C­band  L­band 

NZDSF­ NZDSF+ 

SMF TeraLight 

PSCF 

0 ,1 

0 ,2 

0 ,3 

0 ,4 

0  3  6  9 Ram

an efficiency (W

 ­1  .km

 ­1  ) 

1569 

1486­nm PUMP

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

P u m p 

WDM Line Fiber 

Intrinsic noise parameter = 3dB (quantum limit) 

Equivalent noise figure = the noise figure of an EDFA located in B point and providing with the Raman ON/OFF gain 

Equivalent noise figures can be equal or lower than 0 dB 

Noise figure for Distributed Raman Preamplification

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Double­Rayleigh Scattering 

• Signal (neglecting the DRS term): 

• Simple Rayleigh­scattered signal: 

• Double Rayleigh­scattered signal:  dy L y G y P r L P 

dz z y G z P r y P 

z G P z P 

net L 

RS DRS 

y  net S RS 

net S S 

). ( ). ( . ) ( 

). ( ). ( . ) ( 

) 0 ( ). 0 ( ) ( 

0 → =

→ =

→ =

⇒ DRS noise­to­signal ratio at the end of the fibre: R DRS  = 

P DRS (L)/P S (L) 

0  L 

Ps (z) r.Ps(z ) 

P DRS (L)

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Double­Rayleigh Scattering (DRS) 

•  DRS is a delayed copy of the signal => beating noise at detection with the signal by quadratic detection: 

•  Exists in all transmissions but is more penalizing with distributed Raman amplification: DRS is amplified during its double­path 

•  Crucial issue: DRS impairment is a limit to high amounts of Raman gain 

•  ASE and DRS essentially differ by their spectral distribution: 

­ ASE is constant with wavelength in the range of the signal bandwidth 

­ DRS is a replica of the signal optical spectrum 

) ) ( ( 2 ) (  2 2 ν

ν π ∆ +

∆ ≈ 

f R f RIN  DRS

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Electrical measurement of DRS 

­155 ­150 ­145 ­140 ­135 ­130 ­125 ­120 ­115 ­110 ­105 ­100 ­95 

0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 

Frequency (MHz) 

RIN (d

B/Hz)             . 

24­dB gain 

16­dB gain 

10­dB gain 8­dB gain 6­dB gain 4­dB gain 2­dB gain 

source 

0­dB gain

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Signal­ASE and signal­DRS beat noises 

§ Reference case: NRZ, broad optical filtering 

§ General case: any format 

elec S r pola sg 

ASE 2 2 

ASE ­ sg  B P N η 4 = σ 

S polar sg

DRS 2 2 

DRS ­ sg  P P η 2 = σ 

S ASE ASE 2 

ASE ­ sg  P P . k = σ 

S DRS DRS 2 

DRS ­ sg  P P . k = σ

depend on: ­ modulation format (signal pattern) ­ optical and electrical filters at reception

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Conclusion on Double­Raleigh Scattering 

DRS is a major limitation of the maximum Raman gain that can be obtained in the line fiber Limits Raman advantage in backward pumping 

Max gain closed to 23 dB 

For all Raman pumping of the line fiber Need for forward pumping 

ü See related issues (RIN, …) 

Or use of Raman pumping into the DCF ü  Increases non­linear effects in the DCF

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Pump­to­signal RIN transfer 

Raman effect is very fast (femtosecond) 

Locally, the intensity fluctuations of the pump are totally 

transferred to the signal by gain (dB) 

Effect averaged 

­ by counter propagation (backward pumping) 

­ only by chromatic dispersion for forward pumping

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Transfer functions 

pumping rd for forwa 1 1 2 

and 

pumping backward for 4 

with 

1 log 10 ) 10 ln( / 10 

log 20 ) ( 2 

/

=

=

+ −

+ =

P S 

P c 

S P c 

OFF ON P S 

V V 

V f 

f f G 

RIN f RIN

π

α π

α

Assumptions: Distributed Raman amplification: long fiber (50 ­100km) Moderate Raman gain, moderate pump RIN No pump depletion 

Reference: C. R. S. Fludger and al., Electron. Lett., 2001, 37, (1), pp. 15­17

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

­135 

­130 

­125 

­120 

­115 

­110 

1E+ 0  1E+ 3  1E+ 6  1E+ 9  1E+ 12 

Frequency (Hz) 

RIN (dB/H

z) 

Pump  RIN 

50 kHz  7 GHz 

+ 20log(Gonoff/ 4.34) 

Transfer functions 

With: RIN P =­120dB/Hz Gonoff =10dB α P =0.25 dB λ P =1450nm λ S =1550nm 

Signal RIN with backward pumping (f c =900 Hz) 

Signal RIN with forward pumping ­ SMF (f c =6 MHz) ­ Teralight (f c =18 MHz) ­ may happen with TW and LEAF

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Raman amplification : Implementation 

Use of wavelength multiplexed Raman pumps 

Efficiency depends on fiber type and characteristics 

4 pumps (distributed Raman ampli.) 

#1 #63 

M­Z Q 

DCF 

DCF 

L  DCF 

x 3 

Rx 

100 km NZDSF 1x

32 

#2 #64 

M­Z 1x32 

40Gb/s 2 15 ­1 

#65 #127 

M­Z Q 

DCF 1x32 

#66 #128 

M­Z 1x32 

40Gb/s 2 23 ­1 

PBS 

PBS

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Stimulated Raman Scattering 

­17 

­22 

­27 

­5 

5  In span  5 

0 ­5 

­27 

­22 

­17  Out span 

­18 

­13 

­8 

Wavelength (nm) 1525  1605 1427  1565 1485 1439  1450 

­8 

­13 

­18 

­ 23 THz 

Pre­tilt ≈3dB 

Intraband­tilt compensated but C­to­L energy­transfer 

Raman gain 12dB C­band 

10dB L­band 

Out span 

Pumps OFF 

Pumps ON 

(dBm

)

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

All Raman pumping schemes 

Raman pump 

MUX  TAP 

DCF 

DRA in the link: 

DRA in the link & DCF: 

MUX  TAP 

Raman pump 

MUX  TAP 

DCF 

Raman pump 

31dB on­off Raman gain in the link fiber 

21.5dB on­off Raman gain in the link fiber 

3dB net gain in the DCF (11dB on­off gain) 

MUX 

Raman pump 

MUX 

Raman pump

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Final impairment of the amplifier on the system: 

Achievable distance is proportional to → Parameter C = C noise .C phase  (the smaller the better) 

Co­pumping issues to be accounted aside 

Criteria for performance assessment (ULH) 

in DRS elec ASE noise  P R B N C  .9 5 * 

2 1

+ =

∫ = L 

Net phase  dz z G γ C 0 

) ( 

Generation of noise 

Non­linear phase 

2 / 1 ) ( − phase noise C C

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

All­Raman transmission of 6 Tbit/s over 6120 km 

All Raman amplification (First+Second order) 

x3 

GFF  GFF 

+D  +D 

­D 

GFF 

GFF 

Dyn. Gain Equalizer 

Link fiber 

Tx 149x43Gbit/s  Rx 

L  L 

12  = 6120km 

Dyn. Gain Equalizer 

Polarization scrambler 

Lumped Raman amp. 

Lumped Raman amp.

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Experimental results with all­Raman amplification Spectrum after 6,120km with 149 DPSK channels 

In C­band: more odd than even channels Gain excursion close to 10 dB after 6120km OSNR_0.1nm > 16.9dB in L band OSNR_0.1nm > 14.6 dB in C band 

Pow

er 

10dB

/div. 

Wavelength (nm) 

1530  1550  1590  1610 1570 

C­band  L­band

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Lumped Raman Amplifier 

5 dB

/div 

1580 nm  1600 nm 1590 nm 

14 

16 

18 

20 

22 

24 

26 

­10  ­5  0  5  10  15  20  25 Internal  Output Power (dBm) 

Internal Gain (dB) 

­10  ­5  0  5  10  15  20  25 In ternal Output Power  (dBm) 

Internal Noise Figure (dB) 

• Use of a specific Raman fiber • e.g. Photonic Crystal Fiber 

• On­demand gain bandwidth and location • Weaker sensitivity to signal gain saturation compared to EDFAs • Robust noise figure in high power input signal regime 

Fir st stage 

Pump input 

Output pump 

Second stage Fir st stage 

Pump input 

Output pump 

Second stage

Raman Amplification for Telecom Optical Networks D. Bayart – Bell Labs France 

Bibliography 

« Erbium­doped fiber amplifier, Principles and Applications » 

Emmanuel Desurvire, Wiley (1994), New­York 

« Erbium­doped fiber amplifier, Device and System Developments », 

Emmanuel Desurvire, Dominique Bayart, Bertrand Desthieux, Sébastien Bigo, 

Wiley (2002), New­York 

« Undersea Fiber Communications Systems » 

José Chesnoy Ed., Elsevier, San Diego (2002) 

Chap. 4, Optical Amplification, Dominique Bayart